州大学化工原理电子教案 11萃取 液-液相平衡是萃取传质过程进行的极限,与气液传质相同,在讨论萃取之前,首先要了解液-液的相 平衡问题。由于萃取的两相通常为三元混合物,故其组成和相平衡的图解表示法与前述气液传质不同,在 此首先介绍三元混合物组成在三角形坐标图上的表示方法,然后介绍液液平衡相图及萃取过程的基本原 1.1液液相平衡 1111三角形坐标图及杠杆规则 (1)三角形坐标图 三角形坐标图通常有等边三角形坐标图、等腰直角三角形坐标图和非等腰直角三角形坐标图,如图 11-1所示,其中以等腰直角三角形坐标图最为常用 0.8 0.6 0.4 0 H 0.4 0.6 0.6 .8 0.8 G 0.80.60.40 0.80.6040.2 〔b c 图11-1三角形相图 般而言,在萃取过程中很少遇到恒摩尔流的简化情况,故在三角形坐标图中混合物的组成常用质量 分数表示。习惯上,在三角形坐标图中,AB边以A的质量分率作为标度,BS边以B的质量分率作为标 度,SA边以S的质量分率作为标度。三角形坐标图的每个顶点分别代表一个纯组分,即顶点A表示纯溶 质A,顶点B表示纯原溶剂(稀释剂)B,顶点S表示纯萃取剂S。三角形坐标图三条边上的任一点代表 个二元混合物系,第三组分的组成为零。例如AB边上的E点,表示由A、B组成的二元混合物系,由 图可读得:A的组成为040,则B的组成为(100.40)=0.60,S的组成为零。 三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。例如M点即表示由A、B、S三个组分组成的混合物 系。其组成可按下法确定:过物系点M分别作对边的平行线ED、HG、KF,则由点E、G、K可直接读得 A、B、S的组成分别为:xA=0.4、xB=0.3、xs=0.3:也可由点D、H、F读得A、B、S的组成。在诸 角形坐标图中,等腰直角三角形坐标图可直接在普通直角坐标纸上进行标绘,且读数较为方便,故目前多 采用等腰直角三角形坐标图。在实际应用时,一般首先由两直角边的标度读得A、S的组成xA及xs,再 根据归一化条件求得xB
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 1 - 11 萃取 液-液相平衡是萃取传质过程进行的极限，与气液传质相同，在讨论萃取之前，首先要了解液-液的相 平衡问题。由于萃取的两相通常为三元混合物，故其组成和相平衡的图解表示法与前述气液传质不同，在 此首先介绍三元混合物组成在三角形坐标图上的表示方法，然后介绍液-液平衡相图及萃取过程的基本原 理。 11.1 液液相平衡 11.1.1 三角形坐标图及杠杆规则 （1）三角形坐标图 三角形坐标图通常有等边三角形坐标图、等腰直角三角形坐标图和非等腰直角三角形坐标图，如图 11-1 所示，其中以等腰直角三角形坐标图最为常用。 图 11-1 三角形相图 一般而言，在萃取过程中很少遇到恒摩尔流的简化情况，故在三角形坐标图中混合物的组成常用质量 分数表示。 习惯上，在三角形坐标图中，AB 边以 A 的质量分率作为标度，BS 边以 B 的质量分率作为标 度，SA 边以 S 的质量分率作为标度。 三角形坐标图的每个顶点分别代表一个纯组分，即顶点 A 表示纯溶 质 A，顶点 B 表示纯原溶剂（稀释剂）B，顶点 S 表示纯萃取剂 S。 三角形坐标图三条边上的任一点代表 一个二元混合物系，第三组分的组成为零。例如 AB 边上的 E 点，表示由 A、B 组成的二元混合物系，由 图可读得：A 的组成为 0.40，则 B 的组成为（1.0–0.40）= 0.60，S 的组成为零。 三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。例如 M 点即表示由 A、B、S 三个组分组成的混合物 系。其组成可按下法确定：过物系点 M 分别作对边的平行线 ED、HG、KF，则由点 E、G、K 可直接读得 A、B、S 的组成分别为： A x =0.4、 B x =0.3、 S x =0.3；也可由点 D、H、F 读得 A、B、S 的组成。在诸三 角形坐标图中，等腰直角三角形坐标图可直接在普通直角坐标纸上进行标绘，且读数较为方便，故目前多 采用等腰直角三角形坐标图。在实际应用时，一般首先由两直角边的标度读得 A、S 的组成 A x 及 S x ，再 根据归一化条件求得 B x
州大学化工原理电子教案 (2)杠杆规则 A ↓R B S 图11-2杠杆规则的应用 如图112所示,将质量为rkg、组成为xA、xB、xs的混合物系R与质量为ekg、组成为 ys的混合物系E相混合,得到一个质量为mkg、组成为=A、zB、zs的新混合物系M,其在三角形坐 标图中分别以点R、E和M表示。M点称为R点与E点的和点,R点与E点称为差点 点M与差点E、R之间的关系可用杠杆规则描述,即 1)几何关系:和点M与差点E、R共线。即:和点在两差点的连线上:一个差点在另一差点与和 点连线的延长线上 (i)数量关系:和点与差点的量m、r、e与线段长a、b之间的关系符合杠杆原理,即,以R为支 点可得m、e之间的关系 以M为支点可得r、e之间的关系 ra=eb (11-2) 以E为支点可得r、m之间的关系 ra+b)= 根据杠杆规则,若已知两个差点,则可确定和点;若已知和点和一个差点,则可确定另一个差点 12三角形相图 根据萃取操作中各组分的互溶性,可将三元物系分为以下三种情况,即 ①溶质A可完全溶于B及S,但B与S不互溶; ②溶质A可完全溶于B及S,但B与S部分互溶 ③溶质A可完全溶于B,但A与S及B与S部分互溶。 习惯上,将①、②两种情况的物系称为第Ⅰ类物系,而将③情况的物系称为第Ⅱ类物系。工业上常见 的第Ⅰ类物系有丙酮(A)水(B-甲基异丁基酮(S)、醋酸(A)-水(Bx苯(S及丙酮(A)-氯仿(B-水(S)等;第Ⅱ 类物系有甲基环己烷(A}正庚烷(B}-苯胺(S)、苯乙烯(A-乙苯(B_二甘S)等。在萃取操作中,第Ⅰ类物 系较为常见,以下主要讨论这类物系的相平衡关系。 (1)溶解度曲线及联结线
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 2 - （2）杠杆规则 图 11-2 杠杆规则的应用 如图 11-2 所示，将质量为 r kg、组成为 A x 、 B x 、 S x 的混合物系 R 与质量为 e kg、组成为 A y 、 B y 、 S y ，的混合物系 E 相混合，得到一个质量为 m kg、组成为 A z 、 B z 、 S z 的新混合物系 M，其在三角形坐 标图中分别以点 R、E 和 M 表示。M 点称为 R 点与 E 点的和点，R 点与 E 点称为差点。 点 M 与差点 E、R 之间的关系可用杠杆规则描述，即 （I）几何关系：和点 M 与差点 E、R 共线。即：和点在两差点的连线上；一个差点在另一差点与和 点连线的延长线上。 （ii）数量关系：和点与差点的量 m 、r 、e 与线段长 a 、b 之间的关系符合杠杆原理，即，以 R 为支 点可得 m 、 e 之间的关系 ma = e(a + b) (11-1) 以 M 为支点可得 r 、 e 之间的关系 ra = eb (11-2) 以 E 为支点可得 r 、 m 之间的关系 r(a + b) = mb (11-3) 根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定和点；若已知和点和一个差点，则可确定另一个差点。 11.1.2 三角形相图 根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物系分为以下三种情况，即 ①溶质 A 可完全溶于 B 及 S，但 B 与 S 不互溶； ②溶质 A 可完全溶于 B 及 S，但 B 与 S 部分互溶； ③溶质 A 可完全溶于 B，但 A 与 S 及 B 与 S 部分互溶。 习惯上，将①、②两种情况的物系称为第Ⅰ类物系，而将③情况的物系称为第Ⅱ类物系。工业上常见 的第Ⅰ类物系有丙酮(A)–水(B)–甲基异丁基酮(S)、醋酸(A)–水(B)–苯(S)及丙酮(A)–氯仿(B)–水(S)等；第Ⅱ 类物系有甲基环己烷(A)–正庚烷(B)–苯胺(S)、苯乙烯(A)–乙苯(B)–二甘醇(S)等。在萃取操作中，第Ⅰ类物 系较为常见，以下主要讨论这类物系的相平衡关系。 （1）溶解度曲线及联结线
州大学化工原理电子教案 A E AE R B S 图11-3溶解度曲线 设溶质A可完全溶于B及S,但B与S为部分互溶,其平衡相图如图11-3所示。此图是在一定温度 下绘制的,图中曲线R0R1R2 RiRnKEnEiE2EEo称为溶解度曲线,该曲线将三角形相图分为两个区域:曲线 以内的区域为两相区,以外的区域为均相区。位于两相区内的混合物分成两个互相平衡的液相,称为共轭 相,联结两共轭液相相点的直线称为联结线,如图11-3中的RE线(=01,2,…n)。显然萃取操作只能在 两相区内进行。 溶解度曲线可通过下述实验方法得到:在一定温度下,将组分B与组分S以适当比例相混合,使其总 组成位于两相区,设为M,则达平衡后必然得到两个互不相溶的液层,其相点为R、E0。在恒温下,向此 二元混合液中加入适量的溶质A并充分混合,使之达到新的平衡,静置分层后得到一对共轭相,其相点为 R1、E1,然后继续加入溶质A,重复上述操作,即可以得到n+1对共轭相的相点R1、E1(i=0,1,2,…n),当 加入A的量使混合液恰好由两相变为一相时,其组成点用K表示,K点称为混溶点或分层点。联结各共 轭相的相点及K点的曲线即为实验温度下该三元物系的溶解度曲线。 单相区 联结线 溶解度曲线 两相区 客解度曲线 图114第Ⅱ类物系的溶解度曲线和联结线 若组分B与组分S完全不互溶,则点Ro与E0分别与三角形顶点B及顶点S相重合 定温度下第Ⅱ类物系的溶解度曲线和联结线见图11-4,通常联结线的斜率随混合液的组成而变,但 同一物系其联结线的倾斜方向一般是一致的,有少数物系,例如吡啶-氯苯-水,当混合液组成变化时, 其联结线的斜率会有较大的改变,如图11-5所示
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 3 - 图 11-3 溶解度曲线 设溶质 A 可完全溶于 B 及 S，但 B 与 S 为部分互溶，其平衡相图如图 11-3 所示。此图是在一定温度 下绘制的，图中曲线 R0R1R2RiRnKEnEiE2E1E0 称为溶解度曲线，该曲线将三角形相图分为两个区域：曲线 以内的区域为两相区，以外的区域为均相区。位于两相区内的混合物分成两个互相平衡的液相，称为共轭 相，联结两共轭液相相点的直线称为联结线，如图 11-3 中的 RiEi 线(i=0,1,2,……n)。显然萃取操作只能在 两相区内进行。 溶解度曲线可通过下述实验方法得到：在一定温度下，将组分 B 与组分 S 以适当比例相混合，使其总 组成位于两相区，设为 M，则达平衡后必然得到两个互不相溶的液层，其相点为 R0、E0。在恒温下，向此 二元混合液中加入适量的溶质 A 并充分混合，使之达到新的平衡，静置分层后得到一对共轭相，其相点为 R1、E1，然后继续加入溶质 A，重复上述操作，即可以得到 n+1 对共轭相的相点 Ri、Ei (i=0,1,2,……n)，当 加入 A 的量使混合液恰好由两相变为一相时，其组成点用 K 表示，K 点称为混溶点或分层点。联结各共 轭相的相点及 K 点的曲线即为实验温度下该三元物系的溶解度曲线。 图 11-4 第 II 类物系的溶解度曲线和联结线 若组分 B 与组分 S 完全不互溶，则点 R0 与 E0 分别与三角形顶点 B 及顶点 S 相重合。 一定温度下第Ⅱ类物系的溶解度曲线和联结线见图 11-4，通常联结线的斜率随混合液的组成而变，但 同一物系其联结线的倾斜方向一般是一致的，有少数物系，例如吡啶–氯苯–水，当混合液组成变化时， 其联结线的斜率会有较大的改变，如图 11-5 所示
州大学化工原理电子教案 A(吡啶) 连接线 B(氣苯) S(水) 图11-5连结线斜率的变化 (2)辅助曲线和临界混溶点 定温度下,测定体系的溶解度曲线时,实验测出的联结线的条数(即共轭相的对数)总是有限的, 此时为了得到任何已知平衡液相的共轭相的数据,常借助辅助曲线(亦称共轭曲线) A 图11-6辅助曲线 辅助曲线的作法如图116所示,通过已知点R1、R2、…分别作BS边的平行线,再通过相应联结线 的另一端点E1、E2分别作AB边的平行线,各线分别相交于点F、G、…,联接这些交点所得的平滑曲线 即为辅助曲线。利用辅助曲线可求任何已知平衡液相的共轭相。如图116所示,设R为已知平衡液相, 自点R作BS边的平行线交辅助曲线于点J,自点J作AB边的平行线,交溶解度曲线于点E,则点E即为 R的共轭相点 辅助曲线与溶解度曲线的交点为P,显然通过P点的联结线无限短,即该点所代表的平衡液相无共轭 相,相当于该系统的临界状态,故称点P为临界混溶点。P点将溶解度曲线分为两部分:靠原溶剂B一侧 为萃余相部分,靠溶剂S一侧为萃取相部分。由于联结线通常都有一定的斜率,因而临界混溶点一般并不 在溶解度曲线的顶点。临界混溶点由实验测得,但仅当已知的联结线很短即共轭相接近临界混溶点时,才 可用外延辅助曲线的方法确定临界混溶点。 通常,一定温度下的三元物系溶解度曲线、联结线、辅助曲线及临界混溶点的数据均由实验测得,有 时也可从手册或有关专著中查得 1113分配系数和分配曲线 (1)分配系数 定温度下,某组分在互相平衡的E相与R相中的组成之比称为该组分的分配系数,以k表示,即溶 原溶剂B
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 4 - 图 11-5 连结线斜率的变化 （2）辅助曲线和临界混溶点 一定温度下，测定体系的溶解度曲线时，实验测出的联结线的条数（即共轭相的对数）总是有限的， 此时为了得到任何已知平衡液相的共轭相的数据，常借助辅助曲线（亦称共轭曲线）。 图 11-6 辅助曲线 辅助曲线的作法如图 11-6 所示，通过已知点 R1、R2、… 分别作 BS 边的平行线，再通过相应联结线 的另一端点 E1、E2 分别作 AB 边的平行线，各线分别相交于点 F、G、… ，联接这些交点所得的平滑曲线 即为辅助曲线。利用辅助曲线可求任何已知平衡液相的共轭相。如图 11-6 所示，设 R 为已知平衡液相， 自点 R 作 BS 边的平行线交辅助曲线于点 J，自点 J 作 AB 边的平行线，交溶解度曲线于点 E，则点 E 即为 R 的共轭相点。 辅助曲线与溶解度曲线的交点为 P，显然通过 P 点的联结线无限短，即该点所代表的平衡液相无共轭 相，相当于该系统的临界状态，故称点 P 为临界混溶点。P 点将溶解度曲线分为两部分：靠原溶剂 B 一侧 为萃余相部分，靠溶剂 S 一侧为萃取相部分。由于联结线通常都有一定的斜率，因而临界混溶点一般并不 在溶解度曲线的顶点。临界混溶点由实验测得，但仅当已知的联结线很短即共轭相接近临界混溶点时，才 可用外延辅助曲线的方法确定临界混溶点。 通常，一定温度下的三元物系溶解度曲线、联结线、辅助曲线及临界混溶点的数据均由实验测得，有 时也可从手册或有关专著中查得。 11.1.3 分配系数和分配曲线 （1）分配系数 一定温度下，某组分在互相平衡的 E 相与 R 相中的组成之比称为该组分的分配系数，以 k 表示，即 溶 质 A A A A x y k = (11-3a) 原溶剂 B
州大学化工原理电子教案 式中 一萃取相E中组分A、B的质量分数 萃余相R中组分A、B的质量分数 分配系数kA表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。显然,kA值愈大,萃取分离的效果愈好。k 值与联结线的斜率有关。同一物系,其值随温度和组成而变。如第I类物系,一般kA值随温度的升高或溶 质组成的增大而降低。一定温度下,仅当溶质组成范围变化不大时,kA值才可视为常数。对于萃取剂S 与原溶剂B互不相溶的物系,溶质在两液相中的分配关系与吸收中的类似,即 Y=KX 式中 Y—一萃取相E中溶质A的质量比组成 X—一萃余相R中溶质A的质量比组成 相组成以质量比表示时的分配系数 (2)分配曲线 由相律可知,温度、压力一定时,三组分体系两液相呈平衡时,自由度为1。故只要已知任一平衡液 相中的任一组分的组成,则其它组分的组成及其共轭相的组成就为确定值。换言之,温度、压力一定时 溶质在两平衡液相间的平衡关系可表示为 y,=f(x) (11-5) y4—萃取相E中组分A的质量分数 萃余相R中组分A的质量分数。 此即分配曲线的数学表达式。 分配曲线 ==== N (ER) 图11-7有一对组分部分互溶时的分配曲线 如图117所示,若以xA为横坐标,以y4为纵坐标,则可在x~y直角坐标图上得到表示这一对共轭 相组成的点N。每一对共轭相可得一个点,将这些点联结起来即可得到曲线ONP,称为分配曲线。曲线上 的P点即为临界混溶点。分配曲线表达了溶质A在互成平衡的E相与R相中的分配关系。若已知某液相 组成,则可由分配曲线求出其共轭相的组成。若在分层区内y均大于x,即分配系数kA>1,则分配曲线 位于y=x直线的上方,反之则位于y=x直线的下方。若随着溶质A组成的变化,联结线倾斜的方向发生 改变,则分配曲线将与对角线出现交点,这种物系称为等溶度体系
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 5 - B B B x y k = (11-3b) 式中 A y 、 B y ——萃取相 E 中组分 A、B 的质量分数； A x 、 B x ——萃余相 R 中组分 A、B 的质量分数。 分配系数 A k 表达了溶质在两个平衡液相中的分配关系。显然， A k 值愈大，萃取分离的效果愈好。 A k 值与联结线的斜率有关。同一物系，其值随温度和组成而变。如第Ⅰ类物系，一般 A k 值随温度的升高或溶 质组成的增大而降低。一定温度下，仅当溶质组成范围变化不大时， A k 值才可视为常数。对于萃取剂 S 与原溶剂 B 互不相溶的物系，溶质在两液相中的分配关系与吸收中的类似，即 Y = KX （11-4） 式中 Y ——萃取相 E 中溶质 A 的质量比组成； X ——萃余相 R 中溶质 A 的质量比组成； K ——相组成以质量比表示时的分配系数。 （2）分配曲线 由相律可知，温度、压力一定时，三组分体系两液相呈平衡时，自由度为 1。故只要已知任一平衡液 相中的任一组分的组成，则其它组分的组成及其共轭相的组成就为确定值。换言之，温度、压力一定时， 溶质在两平衡液相间的平衡关系可表示为 ( ) A A y = f x （11-5） A y ——萃取相 E 中组分 A 的质量分数； A x ——萃余相 R 中组分 A 的质量分数。 此即分配曲线的数学表达式。 图 11-7 有一对组分部分互溶时的分配曲线 如图 11-7 所示，若以 A x 为横坐标，以 A y 为纵坐标，则可在 x ~ y 直角坐标图上得到表示这一对共轭 相组成的点 N。每一对共轭相可得一个点，将这些点联结起来即可得到曲线 ONP，称为分配曲线。曲线上 的 P 点即为临界混溶点。分配曲线表达了溶质 A 在互成平衡的 E 相与 R 相中的分配关系。若已知某液相 组成，则可由分配曲线求出其共轭相的组成。 若在分层区内 y 均大于 x，即分配系数 A k ＞1，则分配曲线 位于 y = x 直线的上方，反之则位于 y = x 直线的下方。若随着溶质 A 组成的变化，联结线倾斜的方向发生 改变，则分配曲线将与对角线出现交点，这种物系称为等溶度体系
州大学化工原理电子教案 分配曲线 yAL N(HL) 图11-8有两对组分部分互溶时的分配曲线 采用同样方法可作出有两对组分部分互溶时的分配曲线,如图11-8所示。 114温度对相平衡的影响 (T,<T, <T) 图119温度对互溶度的影响(I类物系) 通常物系的温度升髙,溶质在溶剂中的溶解度增大,反之减小。因此,温度明显地影响溶解度曲线的 形状、联结线的斜率和两相区面积,从而也影响分配曲线的形状。图11-9所示为温度对第类物系溶解度曲 线和联结线的影响。显然,温度升高,分层区面积减小,不利于萃取分离的进行。 ( TI<T2) 图11-10温度对互溶度的影响(Ⅱ类物系)
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 6 - 图 11-8 有两对组分部分互溶时的分配曲线 采用同样方法可作出有两对组分部分互溶时的分配曲线，如图 11-8 所示。 11.1.4 温度对相平衡的影响 图 11-9 温度对互溶度的影响（I 类物系） 通常物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度增大，反之减小。因此，温度明显地影响溶解度曲线的 形状、联结线的斜率和两相区面积，从而也影响分配曲线的形状。图 11-9 所示为温度对第类物系溶解度曲 线和联结线的影响。显然，温度升高，分层区面积减小，不利于萃取分离的进行。 图 11-10 温度对互溶度的影响（II 类物系）
州大学化工原理电子教案 对于某些物系,温度的改变不仅可引起分层区面积和联结线斜率的变化,甚至可导致物系类型的转变 如图1110所示,当温度为T时为第Ⅱ类物系,而当温度升至T2时则变为第I类物系。 10.21填料塔的结构及其结构特性 1.填料塔的结构 出气 透液 zg F十 出液 四1051填料塔的结构示意凹 -塔壳体;2-液体分布器;3-填料压扳;4-填料 5-液体再分布装置;6-填料支承扳 如图所示为填料塔的结构示意图,填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料 塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方 安装填料压板,以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体 从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层 的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿 塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相 当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集中的趋势,使得塔壁附近的液流量逐渐増大,这种现象 称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均,从而使传质效率下降。因此,当填料层较高时, 需要进行分段,中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分,上层填料 流下的液体经液体收集器收集后,送到液体再分布器,经重新分布后喷淋到下层填料上 填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处,如填料造价高:当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面,使传质效 率降低;不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料;对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等 2.填料特性的评价 (1)比表面积a 塔内单位体积填料层具有的填料表面积,m3/m3。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基 础条件。须说明两点:第一,操作中有部分填料表面不被润湿,以致比表面积中只有某个分率的面积才是 润湿面积。据资料介绍,填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的(20~50)%。第二,有的部位填
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 7 - 对于某些物系，温度的改变不仅可引起分层区面积和联结线斜率的变化，甚至可导致物系类型的转变。 如图 11-10 所示，当温度为 T1 时为第Ⅱ类物系，而当温度升至 T2 时则变为第Ⅰ类物系。 10.2.1 填料塔的结构及其结构特性 1. 填料塔的结构 如图所示为填料塔的结构示意图，填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料 塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方 安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体 从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层 的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿 塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象 称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时， 需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料 流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效 率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 2. 填料特性的评价 （1）比表面积 a 塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m2 /m3。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基 础条件。须说明两点：第一，操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有某个分率的面积才是 润湿面积。据资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的（20～50）%。第二，有的部位填
福州大学化工原理电子教案 料表面虽然润湿,但液流不畅,液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长,气液趋 于平衡态,在塔内几乎不构成有效传质区。为此,须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。但比表 面积a仍不失为重要的参量。 (2)空隙率E 塔内单位体积填料层具有的空隙体积,m2/m3。￡为一分数。ε值大则气体通过填料层的阻力小,故ε 值以高为宜。 对于乱堆填料,当塔径D与填料尺寸d之比大于8时,因每个填料在塔内的方位是随机的,填料层 的均匀性较好,这时填料层可视为各向同性,填料层的空隙率ε就是填料层内任一横截面的空隙截面分率, 当气体以一定流量过填料层时,按塔横截面积计的气速α称为“空塔气速”(简称空速),而气体在 填料层孔隙内流动的真正气速为a1。二者关系为:1=u/E 3)塔内单位体积具有的填料个数n 根据计算岀的塔径与填料层高度,再根据所选填料的n值,即可确定塔内需要的填料数量。一般要求 塔径与填料尺寸之比D/d>8(此比值在8~15之间为宜),以便气、液分布均匀。若D/d<8,在近 塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏髙,会影响气液的均匀分布。若D/d值过大,即 填料尺寸偏小,气流阻力增大 1022气液两相在填料层内的流动 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、瑱料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等 1.填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作条件下,在单位体积填料层内所积存的液体体积,以(m3液体)(m3填 料)表示。持液量可分为静持液量H、动持液量和总持液量H。静持液量是指当填料被充分润湿后,停 止气液两相进料,并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量,其取决于填料和流体的特性,与气 液负荷无关。动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流出的液体量,它与填料、液体特性及气液负荷有 关。总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体总量。显然,总持液量为静持液量和动持液量 之和,即 H,=Ho+H 填料层的持液量可由实验测出,也可由经验公式计算。一般来说,适当的持液量对填料塔操作的稳定 性和传质是有益的,但持液量过大,将减少填料层的空隙和气相流通截面,使压降增大,处理能力下降。 2.填料层的压降 在逆流操作的填料塔中,从塔顶喷淋下来的液体,依靠重力在填料表面成膜状向下流动,上升气体与 下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关,在一定的气速下,液体 喷淋量越大,压降越大:在一定的液体喷淋量下,气速越大,压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填 料层的压降DPZ与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上,可得到如图3-13所示的曲线簇 图10-53填料层的△p/Z~关系 在图片10-53中,直线0表示无液体喷淋(L=0)时,干填料的△PZ~u关系,称为干填料压降线 曲线1、2、3表示不同液体喷淋量下,填料层的ΔPZ~u关系,称为填料操作压降线
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 8 - 料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气液趋 于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。但比表 面积 a 仍不失为重要的参量。 （2）空隙率 塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m2 /m3。 为一分数。 值大则气体通过填料层的阻力小，故 值以高为宜。 对于乱堆填料，当塔径 D 与填料尺寸 d 之比大于 8 时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层 的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率 就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。 当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速 u 称为“空塔气速”（简称空速），而气体在 填料层孔隙内流动的真正气速为 1 u 。二者关系为： / u1 = u 。 （3）塔内单位体积具有的填料个数 n 根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的 n 值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求 塔径与填料尺寸之比 D/ d 8 （此比值在 8～15 之间为宜），以便气、液分布均匀。若 D/ d 8 ，在近 塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若 D/ d 值过大，即 填料尺寸偏小，气流阻力增大。 10.2.2 气液两相在填料层内的流动 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。 1. 填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3 液体)/(m3 填 料)表示。持液量可分为静持液量 Hs、动持液量 Ho 和总持液量 Ht。静持液量是指当填料被充分润湿后，停 止气液两相进料，并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量，其取决于填料和流体的特性，与气 液负荷无关。动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流出的液体量，它与填料、液体特性及气液负荷有 关。总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体总量。显然，总持液量为静持液量和动持液量 之和，即 Ht = H0 + Hs 填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定 性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。 2. 填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与 下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体 喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填 料层的压降 DP/Z 与空塔气速 u 的关系标绘在对数坐标纸上，可得到如图 3-13 所示的曲线簇。 在图片 10-53 中，直线 0 表示无液体喷淋（L=0）时，干填料的△P/Z～u 关系，称为干填料压降线。 曲线 1、2、3 表示不同液体喷淋量下，填料层的△P/Z～u 关系，称为填料操作压降线
州大学化工原理电子教案 从图中可看出,在一定的喷淋量下,压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三段:当气速低于A点 时,气体流动对液膜的曳力很小,液体流动不受气流的影响,填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变,因而 填料层的持液量不变,该区域称为恒持液量区。此时ΔP~u为一直线,位于干填料压降线的左侧,且基 本上与干填料压降线平行。当气速超过A点时,气体对液膜的曳力较大,对液膜流动产生阻滞作用,使液 膜増厚,填料层的持液量随气速的増加而増大,此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载 点气速,曲线上的转折点A,称为载点。若气速继续增大,到达图中B点时,由于液体不能顺利向下流动 使填料层的持液量不断增大,填料层内几乎充满液体。气速増加很小便会引起压降的剧増,此现象称为液 泛,开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速,以表示,曲线上的点B,称为泛点。从载点到泛点的区 域称为载液区,泛点以上的区域称为液泛区。 应予指出,在同样的气液负荷下,不同填料的△P/Z~u关系曲线有所差异,但其基本形状相近。对 于某些填料,载点与泛点并不明显,故上述三个区域间无截然的界限 3.液泛 在泛点气速下,持液量的增多使液相由分散相变为连续相,而气相则由连续相变为分散相,此时气体 呈气泡形式通过液层,气流出现脉动,液体被大量带岀塔顶,塔的操作极不稳定,甚至会被破坏,此种情 况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多,如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。 填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子F值越小,越不易发生液泛现象 流体物性的影响体现在气体密度八、液体的密度η和粘度m上。气体密度越小,液体的密度越大、 粘度越小,则泛点气速越大。 操作的液气比愈大,则在一定气速下液体喷淋量愈大,填料层的持液量增加而空隙率减小,故泛点气 速愈小。 4.液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜,填料表面必须被液 体充分润湿,而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上,单位时间内喷淋的液体体积,以U表示,单位为m3(m2·h)。 为保证填料层的充分润湿,必须保证液体喷淋密度大于某一极限值,该极限值称为最小喷淋密度,以U- 表示。最小喷淋密度通常采用下式计算,即 (L,)mina 式中Umin-一最小喷淋密度,m3/(m2h) (Lw)hmn-—最小润湿速率,m3/(mh) 填料的比表面积,m2/m3。 最小润湿速率是指在塔的截面上,单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算, 也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料,可取最小润湿速率(Lw)mm为008m3/(mh):对于 直径大于75mm的散装填料,取(Lw)mim=0.12m3/(mh) 填料表面润湿性能与填料的材质有关,就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言,以陶瓷填料的润湿 性能最好,塑料填料的润湿性能最差。 实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小,可采用增大回流比或采用液 体再循环的方法加大液体流量,以保证填料表面的充分润湿:也可采用减小塔径予以补偿;对于金属、塑 料材质的填料,可采用表面处理方法,改善其表面的润湿性能。 返混 在填料塔内,气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态,而是存在着不同程度的返混。造成返混现象 的原因很多,如:填料层内的气液分布不均:气体和液体在填料层内的沟流:液体喷淋密度过大时所造成 的气体局部向下运动;塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。填料塔内流体的返混使得传质
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 9 - 从图中可看出，在一定的喷淋量下，压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三段：当气速低于 A 点 时，气体流动对液膜的曳力很小，液体流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而 填料层的持液量不变，该区域称为恒持液量区。此时△P/Z～u 为一直线，位于干填料压降线的左侧，且基 本上与干填料压降线平行。当气速超过 A 点时，气体对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用，使液 膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载 点气速，曲线上的转折点 A，称为载点。若气速继续增大，到达图中 B 点时，由于液体不能顺利向下流动， 使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。气速增加很小便会引起压降的剧增，此现象称为液 泛，开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速，以 uF表示，曲线上的点 B，称为泛点。从载点到泛点的区 域称为载液区，泛点以上的区域称为液泛区。 应予指出，在同样的气液负荷下，不同填料的△P/Z～u 关系曲线有所差异，但其基本形状相近。对 于某些填料，载点与泛点并不明显，故上述三个区域间无截然的界限。 3． 液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体 呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情 况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。 填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子 F 值越小，越不易发生液泛现象。 流体物性的影响体现在气体密度 rV、液体的密度 rL 和粘度 mL 上。气体密度越小，液体的密度越大、 粘度越小，则泛点气速越大。 操作的液气比愈大，则在一定气速下液体喷淋量愈大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气 速愈小。 4． 液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液 体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以 U 表示，单位为 m3 /（m2·h）。 为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以 Umin 表示。最小喷淋密度通常采用下式计算，即 U min = (Lw )min a 式中 Umin ——最小喷淋密度，m3 /（m2·h）； (LW)min ——最小润湿速率，m3 /（m·h）； a ——填料的比表面积，m2 /m3。 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算， 也可采用经验值。对于直径不超过 75mm 的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min 为 0.08 m3 /（m·h）；对于 直径大于 75mm 的散装填料，取(LW)min =0.12 m3 /（m·h）。 填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿 性能最好，塑料填料的润湿性能最差。 实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液 体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径予以补偿；对于金属、塑 料材质的填料，可采用表面处理方法，改善其表面的润湿性能。 5．返混 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象 的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成 的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。填料塔内流体的返混使得传质
州大学化工原理电子教案 平均推动力变小,传质效率降低。因此,按理想的活塞流设计的填料层高度,因返混的影响需适当加高 以保证预期的分离效果。 1023填料塔的传质 1.相际接触面积 干填料比表面积为a,实际操作中润湿的填料比表面积为an,由于只有在润湿的填料表面才可能发 生气、液传质,故a值具有实际意义。下面介绍计算的恩田(Onda)公式,该公式为: 0.75 1-exp|-14 G1 Gia 式中 σ一一液体表面张力,N/m σ。——填料上液体铺展开的最大表面张力,Nm。要求σ<σc。oc的值见表7-3 G1-液体空塔质量通率,kg/(sm2) 2,p1液体的粘度,Nsm2和密度,kg/m3 表10-5不同填料材质的∝c值 材质 o c/(mN/m) a c/(mN/m) 碳 聚乙烯 陶瓷 钢 玻璃 涂石蜡的表面 聚氯乙烯 2传质系数 恩田(Onda)等关联了大量液相和气相传质数据,分别提出液、气两相传质系数的经验关联式如下: (1)液相传质系数 k =0.005l (10-45) g AL PLDL 式中k1—液相传质系数,kmol/(m2 s kmol/m3) D1—溶液在液相中的扩散系数,m2/s 1。—一填料的名义尺寸,m。 2)气相传质系数 (ad1) (10-46) 式中C—一系数,大于15mm的环形和鞍形填料为5,23,小于15mm的填料为2.0 kG一气相传质系数,kmol/(m2skPa) R——气体常数,8.314KJ/( koi K) T一一气体温度,K Da——溶质在气体中的扩散系数,m2/s
福州大学化工原理电子教案 萃取 - 10 - 平均推动力变小，传质效率降低。因此，按理想的活塞流设计的填料层高度，因返混的影响需适当加高， 以保证预期的分离效果。 10.2.3 填料塔的传质 1.相际接触面积 干填料比表面积为 a ，实际操作中润湿的填料比表面积为 w a ，由于只有在润湿的填料表面才可能发 生气、液传质，故 a 值具有实际意义。下面介绍计算 a aw 的恩田（Onda）公式，该公式为： 0.2 2 L 2 L 0.05 2 L 2 L 0.1 L L 0.75 w c 1 exp 1.45 = − − − a G g G a a G a a 式中 ——液体表面张力，N/m； c ——填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m。要求σ<σC。σC的值见表 7-3。 GL ——液体空塔质量通率，kg/(s·m2 )； L ， L——液体的粘度，N·s/m2 和密度，kg/m3。 表 10-5 不同填料材质的 σC值 材质 σC/（mN/m） 材 质 σC/（mN/m） 碳 56 聚乙烯 33 陶瓷 61 钢 75 玻璃 73 涂石蜡的表面 20 聚氯乙烯 40 2.传质系数 恩田（Onda）等关联了大量液相和气相传质数据，分别提出液、气两相传质系数的经验关联式如下： （1）液相传质系数 0.4 P 1/2 L L 2/3 L W L 1/3 L L L L ( ) 0.0051( ) ( ) (ad ) a D G g k − = （10-45） 式中 L k ——液相传质系数，kmol/（m2 s kmol/m3）； DL ——溶液在液相中的扩散系数，m2 /s； P d ——填料的名义尺寸，m。 （2）气相传质系数 2 P 1/3 G G 0.7 G G V G G ( ) ( ) ( ) − = ad a D G C aD k RT （10-46） 式中 C ——系数，大于 15mm 的环形和鞍形填料为 5.23，小于 15mm 的填料为 2.0； G k ——气相传质系数，kmol/（m2 s kPa）； R ——气体常数，8.314KJ/（kmol K）； T ——气体温度，K； DG ——溶质在气体中的扩散系数，m2 /s；